《光学》课件全集

《光学》优质课程多媒体课件绪论第一章光的干涉第二章光的衍射第三章几何光学的基本原理第四章光学仪器的基本原理第五章光的偏振第七章光的量子性《光学》优质课程多媒体课件绪论1绪论§0-1光学的研究内容和方法一、光学的重要性二、光学的研究内容1、光的发射、传播和接收等规律2、光和其他物质的相互作用。包括光的吸收、散射和色散。光的机械作用和光的热、电、化学和生理作用（效应）等。3、光的本性问题4、光在生产和社会生活中的应用三、研究方法——实验实验——假设——理论绪论§0-1光学的研究内容和方法一、光学的重要性二、2§0-2光学发展简史

一、萌芽时期

世界光学的（知识）最早记录，一般书上说是古希腊欧几里德关于“人为什么能看见物体”的回答，但应归中国的墨翟。从时间上看，墨翟（公元前468～376年），欧几里德（公元前330～275年），差一百多年。墨翟（公元前468～376年）春秋末战国初期鲁国人（今山东省滕州市）

墨子是我国战国时期著名的思想家、教育家、科学家、军事家、社会活动家，墨家学派的创始人。创立墨家学说，并有《墨子》一书墨子传世。节俭、非攻、兼爱、尚鬼§0-2光学发展简史一、萌芽时期世界光学的3从内容上看，墨经中有八条关于光学方面的：第一条，叙述了影的定义与生成；第二条说明光与影的关系；第三条，畅言光的直线传播，并用针孔成像来说明；第四条，说明光有反射性能；第五条，论光和光源的关系而定影的大小；第六、七、八条，分别叙述了平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。欧几里德在《光学》中，研究了平面镜成像问题，指出反射角等于入射角的反射定律，但也同时反映了对光的错误认识——从人眼向被看见的物体伸展着某种触须似的东西。

从内容上看，墨经中有八条关于光学方面的：第一条，叙述了影的定4克莱门德（公元50年）和托勒玫（公元90～168年）研究了光的折射现象，最先测定了光通过两种介质分界面时的入射角和折射角。罗马的塞涅卡（公元前3～公元65年）指出充满水的玻璃泡具有放大性能。阿拉伯的马斯拉来、埃及的阿尔哈金（公元965～1038年）认为光线来自被观察的物体，而光是以球面波的形式从光源发出的，反射线与入射线共面且入射面垂直于界面。克莱门德（公元50年）和托勒玫（公元90～168年）研究了光5

沈括（1031～1095年）所著《梦溪笔谈》中，论述了凹面镜、凸面镜成像的规律，指出测定凹面镜焦距的原理、虹的成因。培根（1214～1294年）提出用透镜校正视力和用透镜组成望远镜的可能性。沈括（1031～1095年）培根（1214～1294年）阿玛蒂（1299年）发明了眼镜。波特（1535～1561年）研究了成像暗箱。特点：只对光有些初步认识，得出一些零碎结论，没有形成系统理论。沈括（1031～1095年）所著《梦溪笔谈》中，论述了凹面镜6二、几何光学时期

菲涅耳和迪卡尔提出了折射定律这一时期建立了反射定律和折射定律，奠定了几何光学基础。李普塞（1587～1619）在1608年发明了第一架望远镜。延森（1588～1632）和冯特纳（1580～1656）最早制作了复合显微镜。1610年，伽利略用自己制造的望远镜观察星体，发现了木星的卫星。二、几何光学时期

菲涅耳和迪卡尔提出了折射定律这一时期建立了7三、波动光学时期

1865年，麦克斯韦提出，光波就是一种电磁波1801年，托马斯·杨做出了光的双缝干涉实验托马斯·杨惠更斯牛顿

1808年，马吕发现了光在两种介质界面上反射时的偏振性。1815年，菲涅耳提出了惠更斯——菲涅耳原理通过以上研究，人们确信光是一种波动。1845年，法拉弟发现了光的振动面在强磁场中的旋转，揭示了光现象和电磁现象的内在联系。三、波动光学时期

1865年，麦克斯韦提出，光波就是一种电磁8四、量子光学时期光的电磁理论不能解释黑体辐射能量按波长的分布和1887年赫兹发现的光电效应1900年普朗克提出辐射的量子理论1905年爱因斯坦提出光量子假说；1923年康普顿和吴有训用实验证实了光的量子性。至此，人们认识到光具有波粒二象性。爱因斯坦四、量子光学时期爱因斯坦9五、现代光学时期1960年，梅曼制成了红宝石激光器，激发的问世，使古老的光学焕发了青春，光学与许多科学技术领域相互渗透，相互结合，派生出许多崭新的分支。主要包括：激光、全息照相术、光学纤维、红外技术。激发、原子能、半导体、电子计算机被称作当代四大光明。[美]机载激光系统近年又产生了付立叶光学和非线性光学。付立叶光学：将数学中的付立叶变换和通讯中的线性系统理论引入光学。五、现代光学时期1960年，梅曼制成了红宝石激光器，激发的问10要求：1、看教材和参考书，培养自学能力。2、作业要认真做，讲究格式，字迹工整，按时交送，作业分占20%，一学期缺5次以上取消考试资格。3、不迟到、早退，有事请假，无事不旷课。教材说明：按大纲要求，附录原则上不讲，带“*”号不讲。要求：11光的干涉第一章光的干涉第一章12一、光的电磁理论按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场会产生变化的磁场，这个变化的磁场又产生变化的电场，这样变化的电场和变化的磁场不断地相互激发并由近及远地传播形成电磁波。平面简谐电磁波§1-1光的电磁理论一、光的电磁理论按照麦克斯韦电磁场理论，变化13特点1、任一给定点上的E和H同时存在，同频率、同相位并以同一速度传播；2、E和H相互垂直，并且都与传播方向垂直，E、H、u三者满足右螺旋关系，E、H各在自己的振动面内振动，具有偏振性．3、在空间任一点处4、电磁波的传播速度决定于介质的介电常量和磁导率，为在真空中u=5、电磁波的能量特点1、任一给定点上的E和H同时存在，同频率、同相位并以同214

光是电磁波，把电磁波按波长或频率的次序排列成谱，称为电磁波谱。可见光是一种波长很短的电磁波，其波长范围为400nm~760nm频率范围为7.5

1014Hz~3.9

1014Hz，它是能引起视觉的电磁波。在真空中，光的不同波长范围与人眼不同颜色感觉之间的对应关系如下红

760nm~630nm橙630nm~590nm黄590nm~570nm绿570nm~500nm青500nm~460nm蓝460nm~430nm紫430nm~400nm光在不同媒质中传播时，频率不变，波长和传播速度变小。折射率二、光是电磁波光是电磁波，把电磁波按波长或频率的次序排列成15《光学》课件全集16光波是电磁波。光波中参与与物质相互作用（感光作用、生理作用）的是A

矢量，称为光矢量。

A

矢量的振动称为光振动。3、光强光强：在光学中，通常把平均能流密度称为光强，用I

表示。光波是电磁波。3、光强光强：在光学中，通常把平均能流密17机械波的独立性和叠加性发生干涉的条件：1、频率相同2、观察时间内波动不中断3、相遇出振动方向几乎在同一直线上干涉现行的特性：机械波的独立性和叠加性发生干涉的条件：18§1.1.5

相干与不相干叠加矢量合成方法§1.1.5相干与不相干叠加矢量合成方法19一、光源§1-2

光源

光的相干性光源的最基本发光单元是分子、原子

=(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射普通光源：自发辐射独立(不同原子发的光)··独立(同一原子先后发的光)发光的随机性发光的间隙性波列波列长L=

c1、光源的发光机理一、光源§1-2光源光的相干性光源的最基本发光单元是20二、光的相干性两频率相同，光矢量方向相同的光源在p点相遇二、光的相干性两频率相同，光矢量方向相同的光源在p点相遇211、非相干叠加独立光源的两束光或同一光源的不同部位所发出的光的位相差“瞬息万变”叠加后光强等与两光束单独照射时的光强之和，无干涉现象1、非相干叠加独立光源的两束光或同一光源的不同部位所发出的光222、相干叠加满足相干条件的两束光叠加后位相差恒定，有干涉现象若干涉相长干涉相消2、相干叠加满足相干条件的两束光叠加后位相差恒定，有干涉现象23《光学》课件全集24§1-2

光程与光程差干涉现象决定于两束相干光的位相差两束相干光通过不同的介质时，位相差不能单纯由几何路程差决定。光在介质中传播几何路程为r，相应的位相变化为§1-2光程与光程差干涉现象决定于两束相干光的位相差两25光程差光在真空中的波长若两相干光源不是同位相的两相干光源同位相，干涉条件光程差光在真空中的波长若两相干光源不是同位相的两相干光源同位26光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程即：光程这个概念可将光在介质中走过的路程，折算为光在真空中的路程光程表示在相同的时间内光在真空中通过的路程即：光程这个概念可27杨氏干涉条纹D>>d波程差：干涉加强明纹位置干涉减弱暗纹位置杨氏干涉条纹D>>d波程差：干涉加强干涉减弱28(1)明暗相间的条纹对称分布于中心O点两侧。干涉条纹特点：(2)相邻明条纹和相邻暗条纹等间距，与干涉级k无关。两相邻明（或暗）条纹间的距离称为条纹间距。若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。(1)明暗相间的条纹对称分布于中心O点两侧。干涉条纹特点：29方法一：方法二：(3)

D,d一定时，由条纹间距可算出单色光的波长。方法一：方法二：(3)D,d一定时，由条纹间距可算出单色30二、其他分波阵面干涉装置1、菲涅耳双面镜虚光源、平行于明条纹中心的位置屏幕上O点在两个虚光源连线的垂直平分线上，屏幕上明暗条纹中心对O点的偏离

x为：暗条纹中心的位置光栏二、其他分波阵面干涉装置1、菲涅耳双面镜虚光源、平312洛埃镜光栏当屏幕E

移至E'处，从S1和S2

到L点的光程差为零，但是观察到暗条纹，验证了反射时有半波损失存在。2洛埃镜光栏当屏幕E移至E'处，从32问：原来的零级条纹移至何处？若移至原来的第k

级明条纹处，其厚度

h为多少？例：已知：S2

缝上覆盖的介质厚度为h，折射率为

n

，设入射光的波长为

.

解：从S1和S2发出的相干光所对应的光程差当光程差为零时，对应零条纹的位置应满足：所以零级明条纹下移问：原来的零级条纹移至何处？若移至原来的第k级明条纹处，33原来

k

级明条纹位置满足：设有介质时零级明条纹移到原来第

k

级处，它必须同时满足：原来k级明条纹位置满足：设有介质时零级明条纹移到原来第34利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和折射，可在反射方向(或透射方向)获得相干光束。一、薄膜干涉扩展光源照射下的薄膜干涉a1a2a在一均匀透明介质n1中放入上下表面平行,厚度为e

的均匀介质n2(>n1)，用扩展光源照射薄膜，其反射和透射光如图所示

§1-7薄膜干涉利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和折射，可35光线a2与光线a1的光程差为：半波损失由折射定律和几何关系可得出：a1a2a光线a2与光线a1的光程差为：半波损失由折射定律和几何关系36干涉条件薄膜aa1a2n1n2n3额外程差的确定n1<n2>n3(或n1>n2<n3)

产生额外程差n1>n2>n3(或n1<n2<n3)

不存在额外程差对同样的入射光来说，当反射方向干涉加强时，在透射方向就干涉减弱。干涉条件薄膜aa1a2n1n2n3额外程差的确定n1<n2>37《光学》课件全集38二、增透膜和增反膜增透膜-----利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉条件来减少反射，从而使透射增强。增反膜-----利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相长干涉，因此反射光因干涉而加强。二、增透膜和增反膜增透膜-----增反膜-----39《光学》课件全集40《光学》课件全集41问：若反射光相消干涉的条件中取

k=1，膜的厚度为多少？此增透膜在可见光范围内有没有增反？例

已知用波长，照相机镜头n3=1.5，其上涂一层n2=1.38的氟化镁增透膜，光线垂直入射。解：因为，所以反射光经历两次半波损失。反射光相干相消的条件是：代入k和n2

求得：问：若反射光相消干涉的条件中例已知用波长42此膜对反射光相干相长的条件：可见光波长范围400~700nm波长412.5nm的可见光有增反。问：若反射光相消干涉的条件中取

k=1，膜的厚度为多少？此增透膜在可见光范围内有没有增反？此膜对反射光相干相长的条件：可见光波长范围400~700n43d增大，条纹内陷还是外涌？

干涉圆环内部级次是高还是低？d增大，条纹内陷还是外涌？

干涉圆环内部级次是高还是低？44等厚干涉条件劈尖干涉讨论1）劈尖为暗纹.（实心）为亮纹.（空心）2）等厚干涉条件劈尖干涉讨论1）劈尖为暗纹.（实45劈尖干涉2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差3）条纹间距（明纹或暗纹）劈尖干涉2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差3）条纹间距（明纹或暗46在入射单色光一定时，劈尖的楔角

愈小，则b愈大，干涉条纹愈疏；

愈大，则b愈小，干涉条纹愈密。当用白光照射时，将看到由劈尖边缘逐渐分开的彩色直条纹。在入射单色光一定时，劈尖的楔角愈小，则b愈大，干涉条纹愈疏47《光学》课件全集48空气3）检验光学元件表面的平整度4）测细丝的直径空气3）检验光学元件49单色光源反射镜反射镜与成角补偿板分光板移动导轨

§1-9迈克耳逊干涉仪单色光源反射镜反射镜与50反射镜反射镜单色光源光程差的像反射镜反射镜单色光源光程差的像51当不垂直于时，可形成劈尖型等厚干涉条纹.反射镜反射镜单色光源当不垂直于时，可形成劈尖型等厚干涉条52干涉条纹移动数目迈克尔孙干涉仪的主要特性

两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差.移动距离移动反射镜干涉条纹移动数目迈克尔孙干涉仪的主要特性两相干53干涉条纹的移动当与之间距离变大时，圆形干涉条纹从中心一个个长出,并向外扩张,干涉条纹变密;距离变小时，圆形干涉条纹一个个向中心缩进,干涉条纹变稀.干涉条纹的移动当与之54插入介质片后光程差光程差变化干涉条纹移动数目介质片厚度光程差插入介质片后光程差光程差变化干涉条纹移动数目介质片厚度光程差55一、迈克耳逊干涉仪光束2′和1′发生干涉若M

1、M2平行

等倾条纹若M

1、M2有小夹角

等厚条纹若条纹为等厚条纹，M1平移d时，干涉条移过N条，则有：M

122

11

S半透半反膜M2M1G1G2应用：微小位移测量测折射率一、迈克耳逊干涉仪光束2′和1′发生干涉若M1、M2平行56

长的玻璃管，其中一个抽成真空，另一个则储有压强为的空气,用以测量空气的折射率.设所用光波波长为546nm，实验时，向真空玻璃管中逐渐充入空气，直至压强达到为止.在此过程中，观察到107.2条干涉条纹的移动，试求空气的折射率.例

在迈克耳孙干涉仪的两臂中，分别插入解长的玻璃管，其中一57例.在迈克耳逊干涉仪的两臂中分别引入10厘米长的玻璃管A、B，其中一个抽成真空，另一个在充以一个大气压空气的过程中观察到107.2条条纹移动，所用波长为546nm。求空气的折射率？例.在迈克耳逊干涉仪的两臂中分别引入10厘米长的玻璃管58解：设空气的折射率为n相邻条纹或说条纹移动一条时，对应光程差的变化为一个波长，当观察到107.2条移过时，光程差的改变量满足：迈克耳逊干涉仪的两臂中便于插放待测样品，由条纹的变化测量有关参数。精度高。解：设空气的折射率为n相邻条纹或说条纹移动一条时，对应光程59光在传播过程中遇到障碍物，能够绕过障碍物的边缘前进这种偏离直线传播的现象称为光的衍射现象。光的衍射第二章光在传播过程中遇到障碍物，能够绕过障碍物的边缘前进这种偏离直60圆孔衍射单缝衍射*一光的衍射现象*圆孔衍射单缝衍射*一光的衍射现象*61二惠更斯—菲涅尔原理：波阵面上面元(子波波源)菲涅尔指出衍射图中的强度分布是因为衍射时，波场中各点的强度由各子波在该点的相干叠加决定.点振动是各子波在此产生的振动的叠加.子波在点引起的振动振幅并与有关.：时刻波阵面*二惠更斯—菲涅尔原理：波阵面上面元菲涅尔指62三菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射光源、屏与缝相距无限远缝在实验中实现夫琅禾费衍射菲涅尔衍射缝光源、屏与缝相距有限远三菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射光源、63光源障碍物接收屏光源障碍物接收屏衍射的分类菲涅耳衍射夫琅禾费衍射光源—障碍物—接收屏距离为有限远。光源—障碍物—接收屏距离为无限远。衍射系统由光源、衍射屏、接收屏组成。光源障碍物接收屏光源障碍物接收屏衍射的分类菲涅耳衍射夫琅禾费64C----比例常数K(

)----倾斜因子惠更斯-菲涅耳原理解释了波为什么不向后传的问题，这是惠更斯原理所无法解释的。P点的光振动（惠更斯原理的数学表达）为：C----比例常数K()----倾斜因子惠更65图二、半波带面积计算OPRR

图二、半波带面积计算OPRR66复习复习67《光学》课件全集68结论：分成偶数半波带为暗纹。分成奇数半波带为明纹。正、负号表示衍射条纹对称分布于中央明纹的两侧对于任意衍射角，单缝不能分成整数个半波带，在屏幕上光强介于最明与最暗之间。结论：分成偶数半波带为暗纹。正、负号表示衍射条纹对称分布于中69讨论1.光强分布当

角增加时，半波带数增加，未被抵消的半波带面积减少，所以光强变小；另外，当：当

增加时,为什么光强的极大值迅速衰减？讨论1.光强分布当角增加时，半波带数增加，70中央两侧第一暗条纹之间的区域，称做零极（或中央）明条纹，它满足条件：2.中央亮纹宽度中央两侧第一暗条纹之间的区域，称做零极（或中712.3夫琅禾费单缝衍射在实验中实现夫琅禾费衍射2.3夫琅禾费单缝衍射在实验中实现夫琅禾费衍射72

1.实验装置*S

ff

a

透镜L

透镜L·pAB缝平面观察屏01.实验装置*Sffa透镜L透镜L·pAB缝73《光学》课件全集74夫琅禾费单缝衍射衍射角（衍射角：向上为正，向下为负.）菲涅尔波带法夫琅禾费单缝衍射衍射角（衍射角：向上为正，751、当BC等于半波长的奇数倍时，单缝处的波阵面可分为奇数个半波带；2、当BC等于半波长的偶数倍时，单缝处的波阵面可分为偶数个半波带。为什么要分成半波带呢？由于各个波带在P点的振幅近似相等，而相邻两带对应点上发出的光线的光程差总是半个/2，即位相差是，结果任何两相邻波带所发出的光在P点完全相互抵消。1、当BC等于半波长的奇数倍时，单缝处为什么要分成半波带呢？76《光学》课件全集77

暗条纹中心：明条纹中心（近似）：中央条纹中心：

当平行光垂直于单缝平面入射时，单缝衍射形成的明、暗条纹的位置用衍射角表示，由下式决定：暗条纹中心：明条纹中心（近似）：中央条纹中心：78干涉相消（暗纹）干涉加强（明纹）（介于明暗之间）（个半波带）个半波带个半波带中央明纹中心干涉相消（暗纹）干涉加强（明纹）（介于明暗之间）（79二光强分布干涉相消（暗纹）干涉加强（明纹）二光强分布干涉相消（暗纹）干涉加强（明纹）80当较小时，当较小时，81干涉相消（暗纹）干涉加强（明纹）讨论（1）第一暗纹距中心的距离第一暗纹的衍射角干涉相消（暗纹）干涉加强（明纹）讨论（1）第一暗纹距中心的82一定，越大，越大，衍射效应越明显.光直线传播增大，减小一定减小，增大衍射最大第一暗纹的衍射角角范围线范围中央明纹的宽度（2）中央明纹（的两暗纹间）一定，越大，越大，衍射效应越明显.光直线传播增83单缝宽度变化，中央明纹宽度如何变化？单缝宽度变化，中央明纹宽度如何变化？84越大，越大，衍射效应越明显.入射波长变化，衍射效应如何变化?越大，越大，衍射效应越明显.入射波长变化，衍射效应如85（3）条纹宽度（相邻条纹间距）干涉相消（暗纹）干涉加强（明纹）除了中央明纹外的其它明纹、暗纹的宽度（3）条纹宽度（相邻条纹间距）干涉相消（暗纹）干涉加强（明纹86（5）入射光非垂直入射时光程差的计算（中央明纹向下移动）（中央明纹向上移动）（5）入射光非垂直入射时光程差的计算（中央明纹向下移动）（中87

例1

设有一单色平面波斜射到宽度为的单缝上（如图），求各级暗纹的衍射角.解由暗纹条件例1设有一单色平面波斜射到宽度为88

例2如图，一雷达位于路边15m处，它的射束与公路成角.假如发射天线的输出口宽度，发射的微波波长是18mm，则在它监视范围内的公路长度大约是多少？解将雷达天线输出口看成是发出衍射波的单缝，衍射波能量主要集中在中央明纹范围内.例2如图，一雷达位于路边15m处，它89根据暗纹条件根据暗纹条件90二、光栅的衍射规律光栅每个缝形成各自的单缝衍射图样。光栅衍射条纹是单缝衍射与多缝干涉的总效果。光栅缝与缝之间形成的多缝干涉图样。1、光栅公式任意相邻两缝对应点在衍射角为

方向的两衍射光到达P点的光程差为(a+b)sin

光栅公式光栅衍射明条纹位置满足：

(a+b)sin=k

k=0,±1,±2,±3···

二、光栅的衍射规律光栅每个缝形成各自的单缝衍射图样。光栅衍射912、暗纹条件暗条纹是由各缝射出的衍射光因干涉相消形成的。在两个相邻主极大之间，分布着N-1条暗条纹和N-2条次级明条纹。2、暗纹条件暗条纹是由各缝射出的衍射光因干涉相消形成的。在两924、缺级现象asin

=k'

k'=0,±1,±2,···缺极时衍射角同时满足：(a+b)sin

=k

k=0,±1,±2,···即：

k=(a+b)/a·k'

k

就是所缺的级次缺级由于单缝衍射的影响，在应该出现亮纹的地方，不再出现亮纹缝间光束干涉极大条件单缝衍射极小条件4、缺级现象asin=k'k'=0,±1,±293

白光投射在光栅上，在屏上除零级主极大明条纹由各种波长混合仍为白光外，其两侧将形成由紫到红对称排列的彩色光带，即光栅光谱。三、光栅光谱白光投射在光栅上，在屏上除零级主极大明条纹由各种94例、波长为6000Å的单色光垂直入射在一光栅上，第二级明纹出现在sin

2=0.2处，第4级为第一个缺级。求(1)光栅上相邻两缝的距离是多少？(2)狭缝可能的最小宽度是多少？(2)狭缝可能的最小宽度是多少？(3)按上述选定的a、b值，实际上能观察到的全部明纹数是多少？解:(1)例、波长为6000Å的单色光垂直入射在一光栅上，第二级明纹出95在-900<sin

<900范围内可观察到的明纹级数为k=0,1,2,3,5,6,7,9,共15条明纹在-900<sin<900范围内可观察到的明纹级数为96例、一束平行光垂直入射到某个光栅上，该光束有两种波长

1=4400Å,

2=6600Å实验发现，两种波长的谱线(不计中央明纹)第二重合于衍射角

=600的方向上，求此光栅的光栅常数d。解：第二次重合k1=6,k2=4例、一束平行光垂直入射到某个光栅上，该光束有两种波长1=497讨论：1.如果晶格常数已知，可以用来测定X射线的波长，进行伦琴射线的光谱分析。2.如果X

射线的波长已知，可以用来测定晶体的晶格常数，进行晶体的结构分析。符合上述条件时，各层晶面的反射线干涉后将相互加强。讨论：1.如果晶格常数已知，可以用来测定X射线98第三章几何光学的基本原理1、阐明光线、折射率、光程、光学系统、理想成象、实物、虚物、实象、虚象和物、象空间等物理概念。2、阐明平面反射、折射成象的规律。重点阐明球面镜反射成象、球面折射成象、薄透镜成象的构象公式以及平行光线和任意光线的成象作图法，培养学生的计算和作图的能力。3、了解费马原理的物理思想，用费马原理推导反射或折射定律。4、着重叙述基点、基面的物理意义。了解薄透镜的组合成象。阐明全反射的物理规律。扼要介绍光导纤维的构造和应用。教学基本要求：第三章几何光学的基本原理1、阐明光线、折射率、光程、光学99§3-1光线的概念

1、光线：“光线”是数学概念，表示光的传播方向。认为是从实际光束中借助有孔光阑分出的狭窄部分是错误的，考虑衍射作用，分出任意狭窄的光束不可能。

一、光线与波面2、波面：在波的传播过程中，位相相同的点的轨迹称波面。平面波的波面是一个平面；点光源发出的光在各向同性介质中传播时，波面是球面，波的传播方向与波面垂直。§3-1光线的概念1、光线：“光线”是数学概念，表示光的100二、几何光学的基本实验定律1、光的直线传播定律：

光在同一种均匀媒质中沿直线传播。非均匀媒质，光线弯曲。沙漠幻影、海市蜃楼。2、光的反射、折射定律3、光的独立传播定律和光路可逆原理。波动光学主要考虑波长以及振幅和位相；几何光学主要考虑光线和波面。二、几何光学的基本实验定律1、光的直线传播定律：2、光的反射101§3-2费马原理

一、费马原理内容=极值（极小值、极大值、恒定值）“胡不归”问题:光在指定的两点间传播，实际的光程总是一个极值。§3-2费马原理一、费马原理内容=极值（极小值、极大值、102古老的“胡不归”传说，说的是：从前有一个身在A地当学徒的小伙子，当他得悉在家乡B地的年老父亲病危的消息后，便立即向掌柜告了假借了些钱启程赶路，由于思念心切，他挑选了全是沙砾地带的直线路径AB（如图1所示），他认为走近路必定最省时，因此，他放弃了沿驿道AC先走一程的想法.当他气喘吁吁地来到父亲跟前时，老人刚刚咽了气，小伙子不觉失声痛哭.邻舍闻声前来劝慰，有人告诉小伙子，老人在弥留之际，还不断喃喃地叨念“胡不归？胡不归？……”.古老的“胡不归”传说，说的是：从前有一个身在A地当学徒103由上述古老的传说，引起人们的思索，若小伙子要提前抵达家门，这是否有可能呢？倘若有可能，则又应该选择一条什么样的路线呢？这就是曾经风靡千年的“胡不归”问题.费马在解决“胡不归”问题时，把小伙子看作光粒子，光粒子就是其物理模型，然而，根据光的折射定律建立其数学模型，非常巧妙地解决了“胡不归”问题.由上述古老的传说，引起人们的思索，若小伙子要提前抵达家门，这104我们设想从A点发出的一束光（代替小伙子）先与两媒质（驿道跟沙砾地带）界面AC（即驿道）成一很小的角度入射到D点，此时光速为v1，然后折射入第二种媒质（沙砾地带）到达B点，此过程中光速为v2，假定此光束沿ADB路线传播是符合折射定律的路径，过入射我们设想从A点发出的一束光（代替小伙子）先与两媒质（驿道跟沙105根据折射定律有：光束由A→D、D→B，总共所需时间为：根据折射定律有：106又若此束光从A点发出，沿AB直线，以速率v2传播（即小伙子所走的实际路线），其所需时间为：为了比较t1与t2，先过A点作DB的平行线AL，再过D、B两点作AL的垂线，分别交于D′点和B′点，如图3所示.显然在三角形△ADD′中，∠ADD′=r，∠DD′A=α，由正弦定律可得：又若此束光从A点发出，沿AB直线，以速率v2传播（即小伙子所107《光学》课件全集1082、用费马原理导出折射定律

N平面表示介质界面；M平面过A、B两点与N平面垂直；M、N交OO′3、由费马原理导出反射定律A和B最短，是实际光线所走路径。（赵凯华p33）二、应用1、用费马原理导出光的直线传播定律从A→B，最小光程是（两点间直线段最短）2、用费马原理导出折射定律N平面表示介质界面；M平面过A、109三、举例说明费马原理（）1、光程为恒定值3、光程为极大值2、光程为极小值三、举例说明费马原理（）1、光程110折射定律证明设两个均匀介质的分界面是平面，它们的折射率分别为和，光线通过第一介质中指定的点后经过界面而达到第二介质中指定的点，为了要确定实际光线的路径，通过、两点作平面垂直于界面，是它们的交线（图3-1），则实际光线在界面上的折射点就可用费马原理来确定。折射定律证明设两个均匀介质的分界面是平面，它们的折射率分别为111《光学》课件全集112§3-3单心光束实象和虚象一、单心光束，实象和虚象

凡是具有单个顶点的光束叫单心光束。单心光束经反射或折射后，仍保持单心性，光束顶点叫象。光束顶点是实际光束的会聚点，称实象。如上图P’。光束顶点是光线反射（或折射）后，延长线交点，称虚象。一个光束可以看作许多光线构成的，右图入射光束和折射光束都只有一个顶点，（考虑色散，复色光作光源，不是单心光束，产生色差）§3-3单心光束实象和虚象一、单心光束，实象和虚象凡113二、实物、实象、虚象的联系与区别二、实物、实象、虚象的联系与区别114§3-4光在平面界面上的反射和折射

光学纤维

研究成象问题，不单是研究象的位置，而且要研究有没有象差（光束单心性受到破坏），即光束的单心性问题。几何光学的主要任务:§3-4光在平面界面上的反射和折射

光学纤维115P′点是P点的象，由几何关系知（由反射角等于折射角）一、光在平面上的反射

△PNA1≌△P′NA1NP=NP′又△PNA2≌△P″NA2NP=NP″∴P″与P′重合，同理，第三条光线的反向延长线也交于P′平面反射，保持光束单心性，平面镜成虚象，物和象关于镜面对称。P′点是P点的象，由几何关系知（由反射角等于折射角）一、光在116二、光束单心性的破坏（平面折射问题）

从P点发出两束靠很近的光PA1、PA2（考虑眼睛接收范围），折射光分别交oy于P1、P2，P1A1和P2A2交于P′

A1(x1,o)A2(x2,o)P1(o,y1)P2(o,y2)P(o,y)P′(x′,y′)1．平面光束2、空间光束二、光束单心性的破坏（平面折射问题）从P点发出两束靠很近的117三、全反射光学纤维

1、全反射

当时，没有折射光线而光全部被反射，这种对光线只有反射而无折射的现象，叫全反射。2、倏逝波3、光学纤维三、全反射光学纤维1、全反射当118四、棱镜

1、偏向角而出射光线与入射光线之间的夹角叫偏向角。四、棱镜1、偏向角而出射光线与入射光线之间的夹角叫偏向角。1192、利用棱镜改变光路①能量损失大（不镀银，反射4%）全反射为什么不用平面镜改变光路？②表面易污染。2、利用棱镜改变光路①能量损失大（不镀银，反射4%）全反射为120Thebendingofraysthroughinhomogeneousmedia.在非均匀介质中光线是弯曲的曲线Thebendingofraysthroughin121在均匀介质中的两点间（直线传播）、经平面反射的两点间，以及经平面折射的两点间的实际光路均是光程取极小值的情形。

成像系统的物点和像点之间为光程取稳定值的情形。物点像点在均匀介质中的两点间（直线传播）、经平面反射122PP’A等光程面(2)其他的反射等光程面都是旋转二次曲面反射等光程面(1)平面镜:对任何物点都是等光程面(Asphericalmirrors)对一特定的物点成完善像旋转椭球面：两焦点共轭，皆实或皆虚。可用于聚光，极特殊情况用于成像。PA+AP’=常数以P、P’为焦点的旋转椭球面PP’AConcaveellipticalConvexellipticalPP’A等光程面(2)其他的反射等光程面都是旋转二次曲面123Thissolar-thermalelectricplantintheMojaveDesertuseslongrowsofparabolicmirrorstofocusthesun’sraysonoil-filledpipes,whicharelocatedatthefocalpointofeachmirror.Thissolar-thermalelectricpl124The2.4m-diameterhyperboloidalprimarymirroroftheHubbleSpaceTelescopeAnoff-axisparabolicmirrorelementThe2.4m-diameterhyperboloida125SeveralhyperboliclensesseenincrosssectionAselectionofasphericallensesSeveralhyperboliclensesseen1262、物像的分类物点：发光点，或入射单心光束的顶点。

实物点：发散的入射光束的顶点。

实物：由实物点构成的物体。

虚物点：会聚的入射光束的顶点，或入射光束延长线的交点。

像点：光具组（光学系统）出射的单心光束的顶点。

实像点：会聚的单心出射光束的顶点。

虚像点：发散的单心出射光束的顶点。

物空间（物方）：包含入射光束及其延长线的空间。

像空间（像方）：包含出射光束及其延长线的空间。

2、物像的分类物点：发光点，或入射单心光束的顶点。实物点：127Thereflectedrayliesintheplaneformedbytheincidentrayandthenormal.实物、实像的意义在于有光线实际发自或通过该点，而虚物、虚像仅仅是由光的直线传播性质给人眼造成的一种错觉，实际上并没有光线经过该点。

平面镜是一个最简单的、不改变光束单心性的、能成完善像的光学系统3.2光在平面界面上的反射和折射光导纤维1、光在平面上的反射ReflectionThereflectedrayliesinthe128ThebundleofraysfromthetopoftheobjectappearstooriginatefromtheimagebehindthemirrorThereisanimagepointforeverysourcepointThebundleofraysfromtheto129Forthewomantoseeherfull-sizedimage,onlyahalf-sizedmirrorisneeded.Multiplereflectionscanbeobtainedwithtwoplanemirrors.Forthewomantoseeherfull-130Manyemergencyvehiclesarereversed-letteredsotheletteringappearsnormalwhenviewedthroughtherearviewmirrorofacarManyemergencyvehiclesarere131TheincomingraythatstrikespointAeventuallyemergesalongBD,paralleltotheincomingray.ThisarrayofcornerreflectorswasleftontheMoonbytheApollo14astronauts.Acornerreflector入射光线反射光线Theincomingraythatstrikes1322、光在平面上的折射RefractionAbeamoflightisrefractedasitentersatankofwater.2、光在平面上的折射RefractionAbeamof1333、光束单心性的破坏光线在折射时，除平行光束折射时仍为平行光束外，单心光束将被破坏。设物点出射光束不能保持单心性3、光束单心性的破坏光线在折射时，除平行光束折射时仍为平行光134当P所发出的光束几乎垂直于界面时，，这时，P1、P2和P’三点方能几乎合在一起，折射光束几乎仍保持为单心的。当P所发出的光束几乎垂直于界面时，，这时，P1、P2和P’135《光学》课件全集1364、全反射（TotalInternalReflection：TIR）光导纤维临界角ic4、全反射（TotalInternalReflectio137临界角(Criticalangle):临界角(Criticalangle):138光导纤维Lightcantravelwithlittlelossinacurvedopticalfiber,becausethelightistotallyreflectedwheneveritstrikesthecore-claddinginterfaceandbecausetheabsorptionoflightbythecoreitselfissmall.Opticalfiber光导纤维Lightcantravelwithlitt139医学应用Abronchoscope肺部Acolonoscope,showninuseinthisX-rayphotograph结肠镜内窥镜医学应用Abronchoscope肺部Acolo140关节显微手术Lightraysemanatingfromthebee’sbodyenterthetubeand,inpart,areguidedaroundthe90degreesturnviaTIR,eventuallyexitingthroughthefrontsurfaceandallowingyoutoseethebee.关节显微手术Lightraysemanatingfro1415、棱镜(Prisms)棱角

偏向角

色散装校方便，反射率恒定，常可代替45°安放的平面反射镜当时：

入射光线出射光线5、棱镜(Prisms)棱角偏向角色散装校方便，反射率142AdispersivedeviceAdispersivedevice143ToeffectachangeintheorientationofanimageorinthedirectionofpropagationofabeamToeffectachangeintheorie144RainbowsThecolorsofarainbowresultfromdispersioninthereflectionoflightfromindividualwaterdropletsintheair.RainbowsThecolorsofarainbo145AftertwointernalreflectionThedisksoverlap,soitisrelativelybrighterbelowtheprimaryrainbowandabovethesecondaryrainbow,butdarkerbetweenthem.AftertwointernalreflectionT146

§3-5光在球面上的反射和折射六、高斯公式和牛顿公式

五、近轴光线条件下球面折射的物象公式

四、球面折射对光束单心性的破坏

三、近轴光线条件下球面反射的物象公式

二、球面反射对光束单心性的破坏

一、符号法则

§3-5光在球面上的反射和折射六、高斯公式和牛顿公式五147一、符号法则

1、关于球面的一些概念顶点：球面的中心点曲率中心：球面的球心主轴：直线OC

主截面：过主轴的平面曲率半径：连接球心到球面上任一点的线段一、符号法则1、关于球面的一些概念顶点：球面的中心点1482、符号法则（新笛卡尔法则）

1光线和主轴交点的位置从O点算起，凡在顶点右方者为正，左方者为负；物点和象点到主轴的距离，凡在主轴上方者为正，下方者为负。2光线方面的倾斜角度从主轴（或球面法线）算起，并取小于的角度，由主轴转向有关光线时，顺——正，逆——负。3在图上出现的长度和角度是几何量，只用正值。2、符号法则（新笛卡尔法则）1光线和主轴交点的位置从O1493-5光在球面上的反射和折射

光轴(opticalaxis)----光学系统的对称轴光轴近轴光线(paraxialray)---- 与光轴夹角较小，并靠近光轴的光线红线—近轴光线绿线—非近轴光线3-5光在球面上的反射和折射光轴(opticala-ss’hrQ-i-uu’-i’fMnn’PP’OC单个折射面成像系统的笛卡尔符号规则-ss’hrQ-i-uu’-i’fMnn’PP’OC单个折横向线段

以光轴为起点，向上为正向下为负.纵向线段以球面顶点O为原点，以入射光线进行的方向为正方向，建立物空间坐标s和像空间坐标，物点坐标为物距，像点坐标为像距.线段••笛卡尔坐标规则补充横向线段以光轴为起点，向上为正向下为负.纵向线段以球面图中只标记角度和线段的绝对值．标记点用大写字母,标记角度和线段用小写字母.以光轴或法线为始边，沿小于

的方向旋转，顺时针为正，逆时针为负．(顺正逆负)角度图中各量的表示方法物与像的一一对应关系称为共轭.••图中只标记角度和线段的绝对值．标记点用大写字母,标记角度和线利用几何知识可以得到单球面反射系统成像公式它的成像规律与介质无关．考虑近轴光线,进一步得到2单个球面的反射成像

利用几何知识可以得到单球面反射系统成像公式它的成像规律与令得令得因此球面镜物方焦点与像方焦点重合.凹面镜凸面镜球面反射物像公式：令得令得因此球面镜物方焦点与像方焦点重合.凹面镜MirrorMirrorA.用Fermat原理推导成像公式:-ss’hrMnn’PP’OChr出发点：P、P

为物像共轭点。从P发出的各同心光线都到P

点从Fermat原理可知P点到P

点的所有成像光线有相等的光程Q(习题)A.用Fermat原理推导成像公式:-ss’hrMnn-ss’hrQMnn’PP’OChr-ss’hrQMnn’PP’OChr-ss’hrQMnn’PP’OChr近轴光线

r<<-s、r、s

同理：光线PMP

的光程-ss’hrQMnn’PP’OChr近轴光线r<<-s等光程Fermat原理-ss’rMnn’PP’OCr-----折射成像公式等光程Fermat原理-ss’rMnn’PP’OCr----ss’rMnn’PP’OCAbbe不变式的另一种形式：成像公式定义光焦度(opticalpower)：r的单位为米时，D的单位称为屈光度(diopter)-ss’rMnn’PP’OCAbbe不变式的另一种形式：n<n

-ff’rnn’FF’OC-f’frnn’FF’OC

n>n

D>0，会聚作用D<0，发散作用n<n-ff’rnn’FF’OC-f’frnn’FF-f’fnn’FF’On>n

F’-ff’nn’FOn<n

-f’fnn’FF’On>nF’-ff’nn’FOB.焦距公式从s’=

时同理：第一主焦距(firstfocallength)或物方主焦距：

物方焦点第二主焦距(secondfocallength)或像方主焦距:

像方焦点-ff’rnn’FF’OCB.焦距公式从s’=时同理：第一主焦距(firf、f’、D之间的关系:

-ff’rnn’FF’OC

n<n’f,f’符号相反，大小不等f、f’、D之间的关系:-ff’rnn’FF’OC4Gauss成像公式和Newton成像公式Gauss成像公式:

Abbe不变式:焦距公式：和4Gauss成像公式和Newton成像公式Gauss成-ff’nn’FF’OPP’-ss’分别以F和F’为基准点，量度物点P和像点P’的位置，物距和和像距分别用x和x’表示：-xx’-s=-x-fs’=x’+f’Newton成像公式-ff’nn’FF’OPP’-ss’分别以F和F’为基准§3-6光连续在几个球面界面上的折射虚物的概念

§3-6光连续在几个球面界面上的折射虚物的概念168多个曲面组成的光学系统，各个曲面之曲率中心都在同一条直线上，这个系统称共轴光具组。为什么要求共轴？曲面大小有一定范围，使得折射光束的张角受到一定限制，要使这个球面系统能最后成象，必须要求共轴。前一个球面之出射光线一定是后一个球面之入射光线，第一个球面的象是第二个球面的物。一、共轴光具组二、逐个球面成象法多个曲面组成的光学系统，各个曲面之曲率中心都在同一条直线上，169《光学》课件全集170《光学》课件全集171例1、一个折射率为1.5的玻璃球，半径R，置于空气中。在近轴成像时，问：（1）无穷远处的物成像在何处？（2）物在球前2R处，成像在何处？PRO1O2P’-s1P1’s1’s2’s2n=1.5例1、一个折射率为1.5的玻璃球，半径R，置于空气中。在近轴RO1-s1P1’s1’解：O1面：s1=-

,r1=+R,n1=1,n1’=1.5s1’=3R(1).n=1.5O2面：s2=R,r2=-R,n2=1.5,n2’=1s2’=R/2P’O2s2’s2RO1-s1P1’s1’解：O1面：s1=-,r1=+RPRO1-s1s1’n=1.5(2).O1面：s1=-2R,r1=+R,n1=1,n1’=1.5s1’=

s2O2s2’P’O2面：s2=

,r2=-R,n2=1.5,n2’=1s2’=2RPRO1-s1s1’n=1.5(2).O1面：s1=-2R,3.5薄透镜3.5薄透镜例2.推导薄透镜成像公式nOC2C1I1I2-r2r1证明：I面：II面：透镜制造者公式I1面:s1,s1’,r1I2面:s2,s2’,r2s=s1,s’=s2’,s2

=s1’薄透镜例2.推导薄透镜成像公式nOC2C1I1I2-r2r1证明《光学》课件全集《光学》课件全集透镜的会聚和发散性质

透镜的会聚和发散性质4、光心和副轴薄透镜，两顶点重合成0点，当透镜两边折射率相同时，通过0点的光不改变方向，这样的点称透镜的光心（看作光通过折射平板，当板两边折射率相同时，出射光与入射光平行，发生侧向位移；当厚度趋于0时，侧向位移为0）注意两点：1°薄，0、0′重合于0；2°n1=n2薄透镜中，量度距离从光心0点量起，通过光心的任一直线称为透镜的副轴。

4、光心和副轴薄透镜，两顶点重合成0点，当透镜两边1805、焦平面

过焦点垂直于主轴的平面称为焦平面。性质：与副轴平行的光线射向透镜，折射后会聚于象方焦平面上一点；而物方焦平面上任一点发出的光线，经透镜折射后，将成为一束平行于副辐的光线。

5、焦平面过焦点垂直于主轴的平面称为焦平面。性质：与副轴181三、薄透镜作图求象法

利用三条特殊光线作用求象，中学已学过。主要介绍利用副轴和焦平面作图求象。

三、薄透镜作图求象法利用三条特殊光线作用求象，中学已学过。182四、横向放大率四、横向放大率183§3-8近轴物点近轴光线成象的条件

引言：以前研究物点在主轴上的成象情况。物体成象是物体上每一发光点成象。不在主轴上任意一发光点Q所发出的光束经球面反射或折射后是否仍保持单心性，在怎样的条件下才能保持单心性？费马原理推论：物体上任一发光点Q发出的光束经球面反射或折射后能成象于一点Q′的条件是：从Q点发出的所有光线到达Q′点时的光程都应该相等

§3-8近轴物点近轴光线成象的条件引言：以前研究物点在主184一、近轴物在近轴光线条件下球面反射的物象公式

1、根据费马原理导出近轴物在近轴光线条件下球面反射的物象公式。2、保持单心性必须满足的条件1°光线必须是近轴的2°物点必须是近轴的

一、近轴物在近轴光线条件下球面反射的物象公式1、根据费马原185二、近轴物在近轴光线条件下球面折射的物象公式

二、近轴物在近轴光线条件下球面折射的物象公式186§3-9理想光具组简介引言：理想光具组是一种简化方法，把共轴系统作一个整体处理，以一个等效光具组代替整个共轴光具组的光学系统，不必考虑光在该系统中的实际路径。理想光具组理论建立了点与点、直线与直线、面与面间的共轭关系的纯几何理论。物方的每个同心光束转化成象方的一个同心光束，满足这种理想成象要求的光具组，叫理想光具组。§3-9理想光具组简介引言：理想光具组是一种简化方法，把共187一、理想光具组的基点和基面。

3、节点光具组中总能找到两个点，过K的入射光线，出射后必过且与入射光线平行，则称为节点。理想光具组与单球面之对应关系一、理想光具组的基点和基面。3、节点188二、一般理想光组的作图求象法和物象公式1、作图求象法1°轴外一点情况2°轴上一点情况

2、光具组物象公式1°高斯公式2°牛顿公式3°推广3、主平面和节点的性质二、一般理想光组的作图求象法和物象公式1、作图求象法1°高斯189第四章光学仪器的基本原理

教学基本要求：

阐明人眼的结构以及非正常眼形成的原因，矫正的方法。着重阐明放大镜、目镜、显微镜和望远镜的放大本领。叙述光阑在光学仪器中的重要作用。介绍光通量、发光强度、光照度和光亮度等基本概念。阐明助视仪器的分辨本领。

第四章光学仪器的基本原理

教学基本要求：190引言1、复色光经透镜折射，不同波长的光折射率不同，同一物点对应不同像点，产生色差。2、单色光作光源，s′=s′（u），非近轴物非近轴光线产生像差。像差和色差都严重破坏像之清晰程度。另外，如果从能量方面考虑，进入光具组的光束不宜过窄；而且为了使视场广阔，物体也不宜限于近轴范围以内，像之清晰程度与能量聚集程度和视场广阔程度之间存在矛盾。3、光束受限制，产生衍射，一个物点成像一个光斑，不易分辨。清晰度与细节分辨程度之间存在矛盾。实际光学仪器放大本领聚光本领分辨本领兼顾引言1、复色光经透镜折射，不同波长的光折射率不同，同一物点对191§4-1人的眼睛（自学）§4-1人的眼睛（自学）192§4-2助视仪器的放大本领一、放大本领（视角放大率）明视距离：睫状肌处于正常状态而能十分仔细地看清物体时，物体离眼睛的距离。视角：物体的长度对眼睛节点所张的角。二、放大镜（凸透镜）

§4-2助视仪器的放大本领一、放大本领（视角放大率）明视193§4-3目镜（用来放大其他光具组所成的像）

通常由两个不接触的薄透镜组成：场镜、视镜

考虑放大本领，像差的矫正目镜的作用：放大物镜所成像的视角一、惠更斯目镜

1、构造特点2、光路及成像二、冉斯登目镜

1、构造特点2、光路图两种目镜区别：§4-3目镜（用来放大其他光具组所成的像）通常由两个不194§4-4显微镜的放大本领一、显微镜的构造及光路图1、构造由物镜和目镜组成，物镜、目镜各相当于一个凸透镜。2、光路图3、物、像、镜相对位置（1）

物在物镜物方焦点稍外处（成放大实像）（2）

物镜的像落在目镜物方焦点内(成放大虚像)（3）

目镜的像成在明视距离处二、显微镜的放大本领1、公式推导2、对公式的讨论§4-4显微镜的放大本领一、显微镜的构造及光路图195§4-5望远镜的放大本领观察远物增大视角一、开普勒望远镜

二、伽利略望远望

1、构造特点物镜和目镜都相当于凸透镜，与F2重合，≥2、光路图3、放大本领§4-5望远镜的放大本领观察远物增大视角一、开普勒196§4-6光阑光瞳透镜的边框和开孔的屏，都起限制光束的作用，都叫光阑。一、有效光阑和光瞳二、有效光阑和光瞳的计算1°入射光瞳：有效光阑2°出射光瞳，有效光阑§4-6光阑光瞳透镜的边框和开孔的屏，都起限制光束的作用197§4—7光能量的传播研究像之明亮程度。像之明亮程不仅与入射光束空间立体角大小有关，还与光源和被照表面有关。一、辐射通量和视见函数1、辐射通量定义：单位时间内从面元ds辐射出来的各种波长（λ从0—∞）的光能量，称为面积元ds的辐射通量。用ε表示，单位瓦。2、分布函数3、视见函数定义：单位时间内通过光源表面面积元（ds）的某一波长附近的单位波长间隔的光能量。用e(λ)表示。§4—7光能量的传播研究像之明亮程度。像之明亮程不仅与入198二、光通量表征光源表面的客观辐射通量对人眼引起的视觉强度，用φ表示：——光谱光视效能其实是波长为λ的辐射的功光当量。km—最大光视效能，简称最大光效率，光通量单位：流明（λm）k(λ)——光谱光视效能二、光通量表征光源表面的客观辐射通量对人眼引起的视觉强度，用199三、发光强度发光强度是表征光源在一定方向范围内发出的光通量的空间分布的物理量。定义：点光源在单位立体角发出的光通量的数值单位：坎德拉（cd）：P2591979年第16届国际计量大会规定坎德拉的定义为：“坎德拉是一光源的发光强度，该光源发出频率为5.40×1014Hz（λ=5550Å）的单色辐射，而且在此方向上的辐射强度为”三、发光强度发光强度是表征光源在一定方向范围内发出的光通量的200四、照度1、定义：表明受照面照明程度的物理量。它可用落在受照表面单位面积上的光通量的数值表示。2、点光源照射下的照度α—光束的轴线方向与受照面法线间夹角r—点光源与dσ中心距离。四、照度1、定义：表明受照面照明程度的物理量。它可用落在受照201五、亮度（研究面光源发光）1、点光源：发光体的线度远小于光源到观察点的距离，这样的光源看作点光源。2、朗伯定律对于许多发光体，主体角dΩ中发出的光通量dφ互正比于dΩ和发光体的表观面积ds、cosθ。3、亮度上式比例系数L称作光源亮度，表征发光面发光强弱。五、亮度（研究面光源发光）1、点光源：发光体的线度远小于光源202§4—13助视仪器的分辨本领一、分辨本领1、瑞利判据按几何光学，对于近轴物近轴光线，一个物点与一个像点对应，放大本领可以无限提高，接波动光学，光经过有效光阑发生衍射，一个特点成像一个圆斑，艾里斑半角宽度θ1=0.61两个发光点在光屏上成像时，它们的各自衍射花样有一部分落在屏上同一区域，在什么情况下分辨得开？总照度分布曲线中央有下凹部分，其强度不超过每一分布曲线最大值的80%是能否分辨得开的极限。§4—13助视仪器的分辨本领一、分辨本领1、瑞利判据两个发2032、分辨本领U==0.61光具组分辨极限——分辨本领一个中央亮斑的最大值位置恰好和另一个中央亮斑最小值位置重合。2、分辨本领U==0.61光具组分辨204二、人眼的分辨本领和助视仪器的分辨本领1、人眼的分辨本领瞳孔（相当眼睛的有效光阑）半径1mm，对黄绿光（λ=5550Å）最小分辨角U0=θ1=0.61×观察明视距离的物体，恰能分辨的最小距离（毫末刻度尺的最小刻度1mm）对视网膜上的像的恰能分辨张角眼球直径2.2cm玻璃状液二、人眼的分辨本领和助视仪器的分辨本领1、人眼的分辨本领瞳孔2052、助视仪器的分辨本领（1）望远镜物镜的分辨本领望远镜物镜分辨极限常以物镜焦平面上刚能分辨的两点之间距离表示--望远镜物镜的分辨极限--相对孔径（光源在无限远，）目镜：由于物镜所成的像已有既定程度的细节，目镜无论怎样放大，也丝毫增添不了更多的细节，所以望远镜和显微镜的分辨本领，完全决定于物镜。2、助视仪器的分辨本领（1）望远镜物镜的分辨本领望远镜物镜分206（2）显微镜物镜的分辨极限（用刚能分辨的两物点距离表示）（1）正弦定理∝